数控系统主轴

第六章主轴驱动及控制§6.1概述§6.2主轴的分段无级调速及控制§6.3主轴准停控制数控机床主传动系统是用来实现机床主运动的，它将主电动机的原动力变成可供主轴上刀具切削加工的切削力矩和切削速度。典型数控机床主传动系统外观如左图。§6.1概述数控机床的主轴驱动系统也就是主传动系统，它的性能直接决定了加工工件的表面质量，因此，在数控机床的维修和维护中，主轴驱动系统显得很重要。一、概述主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系统中完成主运动的动力装置部分。主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合进给运动，加工出理想的零件。它是零件加工的成型运动之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。二、数控机床对主轴驱动系统的要求

机床主轴的工作运动通常是旋转运动，数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。1、调速范围宽并实现无极调速2、恒功率范围要宽3、具有4象限驱动能力4、具有位置控制能力5、具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。6、良好的抗振性和热稳定性三、

不同类型的主轴系统的特点和使用范围

1、普通笼型异步电动机配齿轮变速箱这是最经济的一种方法主轴配置方式，但只能实现有级调速，由于电动机始终工作在额定转速下，经齿轮减速后，在主轴低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精加工的要求。可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有工作在约500转/分钟以上才能有比较满意的力矩输出，否则，特别是车床很容易出现堵转的情况，一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴仍然只能工作在中高速范围，另外因为受到普通电动机最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限制。这种方案适用于需要无级调速但对低速和高速都不要求的场合，例如数控钻铣床。国内生产的简易型变频器较多。2、普通笼型异步电动机配简易型变频器3、普通笼型异步电动机配通用变频器目前进口的通用变频器，除了具有U/f曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善，配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速（100—200转/分钟）小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。4、专用变频电动机配通用变频器

中档数控机床主要采用这种方案，主轴传动两挡变速甚至仅一挡即可实现转速在100—200r/min左右时车、铣的重力切削。一些有定向功能的还可以应用与要求精镗加工的数控镗铣床，若应用在加工中心上，还不很理想，必须采用其他辅助机构完成定向换刀的功能，而且也不能达到刚性攻丝的要求。5、伺服主轴驱动系统伺服主轴驱动系统具有响应快、速度高、过载能力强的特点，还可以实现定向和进给功能，当然价格也是最高的，通常是同功率变频器主轴驱动系统的2--3倍以上。伺服主轴驱动系统主要应用于加工中心上，用以满足系统自动换刀、刚性攻丝、主轴C轴进给功能等对主轴位置控制性能要求很高的加工。6、电主轴

电主轴是主轴电动机的一种结构形式，驱动器可以是变频器或主轴伺服，也可以不要驱动器。电主轴由于电机和主轴合二为一，没有传动机构，因此，大大简化了主轴的结构，并且提高了主轴的精度，但是抗冲击能力较弱，而且功率还不能做得太大，一般在10KW以下。由于结构上的优势，电主轴主要向高速方向发展，一般在10000r/min以上。四、常用的主轴驱动系统介绍

1、FANUC（法那科）公司主轴驱动系统

目前三个系列交流主轴电动机为：S系列电动机，额定输出功率范围1.5～37KW；H系列电动机，额定输出功率范围1.5～22KW；P系列电动机，额定输出功率范围3.7～37KW。该公司交流主轴驱动系统的特点为：①采用为处理器控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控制。②主回路采用晶体管PWM逆变器，使电动机电流非常接近正弦波性。③具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。2、SIEMENS（西门子）公司主轴驱动系统

SIEMENS公司生产的直流主轴电动机有1GG5、1GF5、1GL5和1GH5四个系列，与这四个系列电动机配套的6RA24、6RA27系列驱动装置采用晶闸管控制。1PH5和1PH6两个系列的交流主轴电动机，功率范围为3～100KW。驱动装置为6SC650系列交流主轴驱动装置或6SC611A（SIMODRIVE611A）主轴驱动模块，主回路采用晶体管SPWM变频器控制的方式，具有能量再生制动功能。另外，采用为处理器80186可进行闭环转速、转矩控制及磁场计算，从而完成矢量控制。同过选件实现C轴进给控制，在不需要CNC的帮助下，实现主轴的定位控制。3、DANFOSS（丹佛斯）公司系列变频器

目前应用于数控机床上的变频器系列常用的有：VLT2800，可并列式安装方式，具有宽范围配接电机功率：0.37KW-7.5KW200V/400；VLT5000，可在整个转速范围内进行精确的滑差补偿，并在3ms内完成。在使用串行通讯时，VLT5000对每条指令的响应时间为0.1ms，可使用任何标准电机与VLT5000匹配。4、HITACHI（日立）公司系列变频器

HITACHI公司的主轴变频器应用于数控机床上通常有：L100系列通用型变频，额定输出功率范围为0.2KW-7.5KW，V/f特性可选恒转矩/降转矩，可手动/自动提升转矩，载波频率0.5HZ-16HZ连续可调。日立SJ100系列变频器，是一种矢量型变频，额定输出功率范围为0.2KW-7.5KW，载波频率在0.5HZ-16HZ内连续可调，加减速过程中可分段改变加减速时间，可内部/外部启动直流制动；日立SJ200/300系列变频器，额定输出功率范围为0.75KW-132KW，具有2台电机同时无速度传感器矢量控制运行且电机常数在/离线自整定。5、HNC（华中数控）公司系列主轴驱动系统

HSV-20S是武汉华中数控股份有限公司推出的全数字交流主轴驱动器。该驱动器结构紧凑、使用方便、可靠性高。采用的是最新专用运动控制DSP、大规模现场可编程逻辑阵列（FPGA）和智能化功率模块（IPM）等当今最新技术设计，具有025、050、075、100多种型号规格，具有很宽的功率选择范围。用户可根据要求选配不同型号驱动器和交流主轴电机，形成高可靠、高性能的交流主轴驱动系统。五、主轴驱动系统的分类

主轴驱动器主轴电动机分类：按变速方式：有级、无级、分段无级按电源方式：直流、交流§6.2主轴的分段无级调速及控制

一、主轴无级调速方案二、分段无级调速的控制三、齿轮变速自动换挡的操纵机构一、主轴无级调速方案1、全段无级调速特点：需要大功率的主轴电动机，使主轴电动机与驱动装置的体积、重量、成本大大增加。2、同功率电动机，分段无级调速特点：可展宽恒功率范围，经济，但需要自动换挡机构。调速方式：二、分咽段无级司调速的汇控制数控机碰床常采浑用1度~4挡抓齿轮变坐速与无宵级调速貌相结合包的方式目，即分先段无级惰变速。阔采用齿线轮减速半虽然低寺速的输仪出转矩宾增大，喇但降低丸了最高纯主轴转教速。因露此通常帐均采用谢齿轮自耗动变速茧，达到岁同时满秩足低速怠转矩和薯最高主刻轴转速炭的要求拳。一般富说来，喂数控系症统均提耽供4挡疏变速功年能的要惧求，而纹数控机耗床通常盐使用2时挡即可扯满足要甚求。三、齿轮编变速自动牛换挡的操乱纵机构主轴电京动机犬变叨速齿轮梳传递捞主少轴变速方粘法液压拨唇叉电磁离盾合器主轴换挡圆的控制§6.3寸主轴准停喝控制当主轴指停止时血，控制准其停于欧固定位就置（定逮位于圆犬周上特烂定角度盐）又称“芳主轴准示停”、翻“主轴悦定位”萌、“主休轴定向粱”准停指璃令：M汁19或血M06一、主轴谁定向的用肆途加工中心结自动换刀精镗后退社刀背镗车床上工大件定位1、加工中华心自动马换刀(Au经to点too羊lc盈han设gin洋g)在加工驶中心中贺，当主沟轴停转往进行刀屠具交换图时，主气轴需停呢在一个虹固定不禾变的位伸置上，销从而保除证主轴络端面上倾的键也中在一个晌固定的掀位置，扑这样，笛换刀机直械手在纽奉交换刀放具时，费能保证责刀柄上颜的键槽曲对正主句轴端面殿上的定眠位键。2、精镗穷孔后退刀(Fin婆ebo对ring菜)在精镗情孔退刀掌时，为睬了避免古刀尖划洽伤已加同工表面承，采用夫主轴准享停控制奥，使刀阳尖停在樱一个固味定位置父（X轴忌或Y轴谦上），绸以便主易轴偏移确一定尺挎寸后，跪使刀尖然离开工爸件表面喊进行退勺刀。3、背粱镗（Co效unt毙erb智ori门ng）通过小孔轻镗大孔，熟主轴准停妨控制，使忘刀尖停在渠一个固定况位置（巡寿X轴或Y象轴上），臂以便主轴站偏移一定芹尺寸后，申使刀尖能植通过前壁纤小孔进入怠箱体内对仔大孔进行煌镗削。4、车床上巧工件定庸位用于工仪件定位赖，进行乖自动装系载和卸夕载二、主轴田定向控制届的实现方辣式（Me深thod耽s）机械准停存（Mec跟hani高cal道orie序ntat彼ion）电气准停冶（Ele粮ctri赚cal物orie真ntat踢ion）1、V型和槽定位盘企—滚轮准晋停装置（Me拼chan点ical至ori眨enta界tion剂）M19→主轴减侍速→无触肚点开关队发信→煤主电机而停转，秤惯性空夸转→活北塞在电熊磁阀作揭用下，舌将滚轮腹推入V型槽，同眼时行程开避关发出应诸答信号，跑准停结束税，可以进摊行换刀等孝动作。2、磁姑性传感共器或编咐码器准近停（El姿ect供ron特ic名ori哪ent膀ati捉on）利用装在拉主轴上的搬磁性传感抚器或编码词器作为检肠测元件，乳通过它们退输出的反列馈信号，肢使主轴准馅确地停在鹊规定的位羽置上。举例FAN恶UC系盖统中编贤码器主洲轴定向息控制连莲接图电气准膛停特点1)不需要机捕械部件---移只需简使单地连段接编码备器或磁疯性传感银器，即县可实现祸主轴定访向控制使。2)定向时间烦缩短---电尖气准停主究轴在高速撒时直接定袍向，不必最采用齿轮爷减速，定种向时间大递为缩短。3)高可靠性---偶由于定傻向控制露采用电庸子部件置，没有幼机械易者损件，脂不受外怀部冲击竿的影响膊，因此眼，主轴司定向民控制的总可靠性挡高。4)定向控制扒的精度和四刚性高-捉--完全能时满足自翅动换刀况的要求芽。5）强电控制劈燕电路简化---极强电控的制顺序市由主轴亩定向命活令、完简成信号吓、主轴底高/低订速信号喉组成。谢谢观宁看/欢迎下载BY任